Dlaczego Stany Zjednoczone ścigają się w budowie reaktora jądrowego na Księżycu

NASA przyspiesza realizację planu budowy reaktora jądrowego na Księżycu do roku 2030 zgodnie z nowym rozporządzeniem tymczasowego administratora agencji, Seana Duffy'ego.

Plan ten jest odpowiedzią na trwające od dziesięcioleci marzenie o zwiększeniu wykorzystania energii jądrowej w kosmosie. Taka zmiana pozwoliłaby na otwarcie przyszłościowych możliwości i przetestowanie wytycznych prawnych i regulacyjnych dotyczących wykorzystania zasobów i środowisk pozaziemskich.

Duffy, który pełni również funkcję sekretarza transportu prezydenta Donalda Trumpa, określił bycie pierwszym, który umieści reaktor na powierzchni Księżyca, jako zadanie, którego nie można pominąć w wyścigu o Księżyc w nowiu. „Od marca 2024 roku Chiny i Rosja co najmniej trzykrotnie ogłaszały wspólne działania mające na celu umieszczenie reaktora na Księżycu do połowy lat 30. XXI wieku” – napisał Duffy w dyrektywie z 31 lipca.

„Pierwszy kraj, który to zrobi, mógłby potencjalnie ogłosić strefę zamkniętą, co znacznie utrudniłoby Stanom Zjednoczonym ustanowienie planowanej obecności Artemis, jeśli nie zrobią tego wcześniej” – dodał, odnosząc się do programu Artemis NASA, którego celem jest wysłanie ludzi na Księżyc w nadchodzących latach.

Dyrektywa określiła plan działania mający na celu zaprojektowanie, uruchomienie i rozmieszczenie w ciągu pięciu lat reaktora o mocy 100 kilowatów na biegunie południowym Księżyca, który miałby zostać zbudowany we współpracy z partnerami komercyjnymi (dla porównania, 100 kilowatów mogłoby zasilić około 80 amerykańskich gospodarstw domowych). Choć specyfikacje te są na razie spekulatywne, 100 kilowatów to ogromny wzrost mocy w porównaniu z podstawowymi generatorami jądrowymi, które zasilają łaziki marsjańskie i sondy kosmiczne, zazwyczaj zasilane mocą zaledwie kilkuset watów, równą mocy tostera lub żarówki.

Konsekwencje byłyby przełomowe, „nie tylko dla Księżyca, ale dla całego Układu Słonecznego” – mówi Bhavya Lal, który wcześniej pełnił funkcję zastępcy administratora NASA ds. technologii, polityki i strategii oraz pełnił obowiązki głównego technologa. Umieszczenie reaktora jądrowego na Księżycu pozwoliłoby branży kosmicznej „rozpocząć projektowanie systemów kosmicznych wokół tego, co chcemy osiągnąć, a nie tego, na co pozwalają nam niewielkie ilości energii. To ten sam skok, który nastąpił, gdy społeczeństwa na Ziemi przeszły z energii świec na energię elektryczną z sieci”.

Utworzenie elektrowni jądrowej na Księżycu do 2030 roku nie będzie łatwe, jednak wielu ekspertów uważa, że jest to wykonalne.

„Cztery i pół roku to bardzo ryzykowny okres”, ale „technologia już istnieje” – mówi Simon Middleburgh, profesor materiałów jądrowych i współdyrektor Nuclear Futures Institute na Uniwersytecie w Bangor w Wielkiej Brytanii.

Dotychczas problemem niekoniecznie była gotowość technologiczna, ale brak zapotrzebowania na reaktory pozaziemskie ze strony misji lub brak politycznych bodźców do ich budowy. Ten rachunek się teraz zmienia.

„Inwestowaliśmy przez ponad 60 lat i wydaliśmy dziesiątki miliardów dolarów, a ostatni raz cokolwiek wystrzeliliśmy w 1965 roku” – mówi Lal, nawiązując do misji SNAP-10A NASA, która była pierwszym wystrzeleniem reaktora jądrowego w kosmos. „Myślę, że przełom nastąpił w zeszłym roku, kiedy NASA po raz pierwszy w swojej historii wybrała energię jądrową jako główną technologię wytwarzania energii na powierzchni w załogowych misjach na Marsa.

„Mamy teraz pewność polityczną, której wcześniej nie mieliśmy” – dodaje. „Ostatnio, ale nie mniej ważne, sektor prywatny jest nie tylko zainteresowany wykorzystaniem energii jądrowej w kosmosie, ale wręcz jej dostarczaniem”. Zarówno startupy, jak i uznane firmy z branży lotniczo-kosmicznej, takie jak Boeing i Lockheed Martin, badają wykorzystanie energii jądrowej w kosmosie. „Wiele elementów układanki złożyło się w spójną całość, dzięki czemu możemy rzeczywiście iść naprzód”.

Program Artemis NASA ma położyć podwaliny pod stałą bazę na biegunie południowym Księżyca i opracować pionierskie technologie, które umożliwią lądowanie na Marsie, choć jego przyszłość jest niepewna . Niezależnie od tego, zapotrzebowanie na energię w przypadku misji załogowych w egzotycznych środowiskach, takich jak Księżyc, gdzie noce trwają dwa tygodnie, a temperatury ulegają gwałtownym wahaniom, wymaga stałego i obfitego zasilania.

„Grawitacja Księżyca i wahania temperatury są brutalne” – mówi Lal. „Temperatury w ciągu dnia sięgają około 100 stopni Celsjusza. W nocy temperatura jest bliska zeru absolutnemu. Cała elektronika musi być zabezpieczona przed promieniowaniem. Chociaż, szczerze mówiąc, największe ryzyko nie jest natury technicznej. Największe ryzyko to utrzymanie tego pędu i celu misji”.

Chiny również planują budowę bazy księżycowej na Biegunie Południowym. Region ten jest bogaty w zasoby i lód wodny, co czyni go atrakcyjnym miejscem do eksploracji i potencjalnej stałej obecności. Chiny prowadzą rozmowy z Rosją w sprawie partnerstwa w budowie reaktora na tym obszarze do 2035 roku. Te wydarzenia zmotywowały urzędników NASA, Departamentu Obrony i Departamentu Energii do przyłączenia się do wyścigu.

„To możliwe, bo w Stanach Zjednoczonych radzimy sobie bardzo dobrze, mając silnego przeciwnika, a takiego nie mieliśmy od 40 lat” – mówi Mohamed El-Genk, profesor inżynierii jądrowej i dyrektor założyciel Instytutu Studiów Kosmicznych i Energetyki Jądrowej na Uniwersytecie Nowego Meksyku. „Ale wiele rzeczy musi zostać dopracowanych, żeby to się stało”.

Dyrektywa Duffy'ego zawierała niewiele szczegółów na temat projektu i skali planowanego reaktora. Nikt nie wie, jakie koncepcje mogą pojawić się w nadchodzących miesiącach.

„Aby jeszcze bardziej zwiększyć konkurencyjność USA i pozycję lidera na powierzchni Księżyca w ramach kampanii Artemis, NASA szybko działa na rzecz rozwoju technologii rozszczepienia jądrowego w elektrowniach powierzchniowych” – powiedziała Bethany Stevens, rzeczniczka prasowa NASA w e-mailu do WIRED. „Ta kluczowa technologia wesprze eksplorację Księżyca, zapewni wytwarzanie energii o dużej mocy na Marsie i wzmocni nasze bezpieczeństwo narodowe w kosmosie. W ramach działań na rzecz rozwoju NASA wyznaczy nowego dyrektora programu, który będzie zarządzał tymi pracami, a także w ciągu 60 dni wystosuje zapytanie ofertowe do przedstawicieli przemysłu. NASA opublikuje dodatkowe szczegóły dotyczące tej propozycji w przyszłości”.

Dyrektywa ta nawiązuje do ustaleń niedawnego raportu na temat energetyki jądrowej w kosmosie, którego współautorami są Lal i inżynier lotnictwa i kosmonautyki Roger Myers. Raport ten zawierał opcję „Go Big or Go Home” zakładającą budowę 100-kW reaktora na Księżycu do 2030 roku.

Ten projekt o mocy 100 kW byłby „w przybliżeniu równoważny wysłaniu pary dorosłych słoni afrykańskich na Księżyc z rozkładanym parasolem wielkości boiska do koszykówki, z tą różnicą, że słonie wytwarzają ciepło, a ten parasol nie służy do dawania cienia, lecz do oddawania ciepła w przestrzeń kosmiczną” – powiedział Lal w kolejnym e-mailu do WIRED.

NASA może również czerpać inspirację ze swojego najnowszego wysiłku na rzecz opracowania reaktora księżycowego, znanego jako koncepcja Fission Surface Power , która została zainicjowana w 2020 roku . Plan zakładał budowę reaktora o mocy 40 kW, który byłby autonomicznie rozmieszczony na powierzchni Księżyca. Chociaż nie jest jeszcze jasne, które firmy wygrają kontrakty na budowę nowego reaktora o mocy 100 kW, 40-kilowatowy prekursor obejmował wkład szeregu organizacji, w tym Aerojet Rocketdyne, Boeing i Lockheed Martin z sektora lotniczo-kosmicznego; firm jądrowych BWXT, Westinghouse i X-Energy; firmy inżynieryjnej Creare; oraz firm technologii kosmicznej Intuitive Machines i Maxar.

Firmy zakontraktowane do tego projektu nie były w stanie spełnić wymogu maksymalnej masy 6 ton metrycznych w początkowej fazie koncepcyjnej. Jednak dyrektywa Duffy'ego zakłada, że reaktor zostanie dostarczony przez ciężki lądownik, który mógłby przenosić ładunki o masie do 15 ton metrycznych.

Reaktor o mocy 100 kW, paliwo uranowe, radiatory i inne komponenty mogłyby zostać dostarczone w drodze wielokrotnych startów i lądowań. Elektrownia mogłaby znajdować się w kraterze księżycowym, a nawet pod ziemią, aby zapobiec skażeniu w razie wypadku.

„Księżyc stwarza poważne wyzwania inżynieryjne” – napisał Carlo Giovanni Ferro, inżynier lotnictwa i kosmonautyki oraz badacz z Politechniki Turyńskiej we Włoszech, w e-mailu do WIRED. „Bez atmosfery nie ma chłodzenia konwekcyjnego – nie można polegać na przepływie powietrza nad komponentami, tak jak ma to miejsce w systemach na Ziemi – w celu odprowadzenia nadmiaru ciepła”.

Ferro dodaje, że grawitacja Księżyca, stanowiąca jedną szóstą ziemskiej, wpływałaby na dynamikę płynów i wymianę ciepła, a regolit Księżyca – warstwa pyłu i drobnych skał pokrywająca powierzchnię Księżyca – jest lepki i elektrostatyczny, a zatem mógłby zakłócać działanie grzejników i innych elementów. „Z technicznego punktu widzenia jest to prawdopodobnie wykonalne, ale pozostaje bardzo ambitne” – mówi o proponowanych planach NASA.

Wszystkie technologie nuklearne wymagają ścisłych ograniczeń bezpieczeństwa, zwłaszcza te związane z wystrzeliwaniem ładunków wybuchowych i lądowaniem w obcych środowiskach.

„Bardzo ważne jest, aby grupa ekspertów zebrała się i przedstawiła wymagania dotyczące wszystkich kwestii” – mówi El-Genk. „Najlepszym sposobem nie jest proponowanie rozwiązań potencjalnych problemów, ale zadanie sobie pytania: czy możemy uniknąć potencjalnych problemów poprzez ich zaprojektowanie?”

W tym celu rozmieszczenie reaktora księżycowego – przez NASA, Chiny lub inny podmiot – będzie podlegać surowym normom regulacyjnym na każdym etapie. Na przykład paliwo uranowe będzie prawdopodobnie zabezpieczone wytrzymałymi warstwami ochronnymi na wypadek awarii rakiety.

„Powodem, dla którego wprowadzamy regulacje, jest bezpieczeństwo” – mówi Middleburgh. „Nie chcemy, żeby astronauci stracili źródło zasilania. Nie chcemy, żeby doszło tam na górze do wypadku, z którego nie będziemy mogli się otrząsnąć. To byłaby absolutna katastrofa”.

„To będzie ściśle regulowane” – kontynuuje. „Kto będzie to regulował, to pytanie, ale niezależnie od tego, nie zaczną po prostu wypuszczać rzeczy, które nie zostały przemyślane i nie zostały uznane za bezpieczne. To oznaczałoby koniec programu”.

Oprócz opracowania solidnej strategii bezpieczeństwa, wyścig o przeniesienie energii jądrowej na Księżyc wytyczy nowe szlaki w prawie i polityce kosmicznej. Kraj lub podmiot, który dotrze tam pierwszy, prawdopodobnie ustanowi to, co dyrektywa nazywa „strefą zamkniętą” ze względów bezpieczeństwa. Strefy te, mogące obejmować kilka mil kwadratowych, uniemożliwiłyby konkurentom wejście w tę samą przestrzeń.

Tego typu działania muszą być zgodne z wytycznymi Traktatu o przestrzeni kosmicznej, który stanowi, że ciała niebieskie mogą być wykorzystywane wyłącznie w celach pokojowych, a eksploracja i użytkowanie przestrzeni kosmicznej powinny być prowadzone dla dobra „całej ludzkości”.

„Nie sądzę, żeby doszło do naruszenia jakichkolwiek traktatów” – mówi Lal. „To raczej wyłączenie funkcjonalne, które może wynikać z ryzyka promieniowania, kontroli termicznej lub protokołów dotyczących wypadków. Byłoby to uzasadnione na mocy artykułu dziewiątego Traktatu o Przestrzeni Kosmicznej, jako konieczne w celu zapobiegania szkodliwym zakłóceniom”.

„Nie będą rościć sobie żadnych praw do suwerenności” – dodaje. „Nie twierdzimy, że to jakaś forma grabieży ziemi”.

Kosmiczna energetyka jądrowa wydawała się być na horyzoncie od pokoleń, ale wielu ekspertów uważa, że jej moment w końcu nadszedł i że powinniśmy kuć żelazo (a raczej uran) póki gorące. Jeśli reaktory jądrowe zadomowią się w kosmosie, możliwości eksploracji i przemysłu znacznie wzrosną.

„Mając taką moc, mówimy o stałej infrastrukturze powierzchniowej na Księżycu i Marsie, księżycowych systemach górniczych, marsjańskich systemach górniczych do pozyskiwania tlenu, wody i paliwa w rzeczywistych siedliskach człowieka – nie tylko dla przetrwania, ale i dla życia” – mówi Lal. „Możemy prowadzić badania naukowe na dużą skalę. Nie musimy miniaturyzować naszych instrumentów, aby nie zużywały zbyt dużej mocy, niezależnie od tego, czy są to radary, czy sejsmometry.

„To fundament pod otwarcie Układu Słonecznego” – dodaje. „To jest ta część, która mnie naprawdę ekscytuje”.

Państwa, które jako pierwsze z powodzeniem postawią reaktor na Księżycu, odegrają nieporównywalnie większą rolę w kształtowaniu tej przyszłości, a prawdopodobni gracze już przyspieszają tempo.

„W nowym wyścigu kosmicznym nie chodzi o to, kto pierwszy dotrze na Księżyc” – mówi Ferro. „Chodzi o to, kto zostanie na miejscu”.